aspen pinch.docx

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aspenpinch

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第一章开始运行AspenPinch

本章回顾了一个典型热集成研究案例。

阐述了一个类似研究案例的各个步骤，以及如何在不同的阶段应用AspenPinch。

同时，本章还介绍了AspenPinch界面，已经如何启动和推出AspenPinch。

一个典型的热集成案例

下图表示了一个典型的热集成案例研究的主要步骤以及相应阶段AspenPinch的特征。

尽管本图看来是一个一次性完成的过程，但在实际过程中需要多次迭代来保证获得总体最优的结果。

一个热集成案例研究包含以下步骤：

1．  从你的流程中获取数据。

2．  建立公用工程消耗，能量消耗和投资费用的操作目标。

3．  作出一个换热网络的设计

4．  检查所设计换热网络的性能。

下面详细介绍这些步骤。

从你的流程模拟中获取数据 

一个热集成研究是从获取流程的数据开始的。

一个热集成研究所需要的数据包括每个流股的温度与热负荷信息。

对于任一个公用工程的温度和费用信息都是必要的。

如果你想作费用分析的话，就必须提供换热器的投资费用。

流股的数据可以直接从过程的物料与能量衡算获取。

另外，流股数据也可以从AspenPlus模拟或其他软件输入。

输入数据可以运用AspenPinch的数据输入功能、AspenPlus接口或流股分段功能来实现。

建立目标函数

案例的下一个步骤是确定公用工程消耗、能量消耗和投资费用目标。

对于一个新的换热网络设计可以运用AspenPinch的targeting功能。

换热网络的改造可以用retrofittargeting功能。

对于从不同过程单元回收热量的总过程来说，我们可以运用AspenPinch的totalsite功能。

当评价公用工程的费用与消耗时，你可能想研究一个公用工程系统的操作细节。

AspenPinch具有热功模块来模拟公用工程的操作从而使你可以准确的预测公用工程系统的规模及大小。

此时，本热集成案例已经可以通过运用基础案例的操作条件来预测流程的最佳操作性能与费用。

你还可以深入研究当操作条件发生变化时整个换热网络的性能如何发生变化。

或许这些变化可以降低总的费用。

你可以运用AspenPinch的targeting功能，例如负荷曲线，来评价流程的变化。

设计换热网络

热集成的下一步将从目标函数转移到设计上来。

你可以设计一个新的换热网络，也可以对旧的换热网络进行改造设计。

此时可以用AspenPinch的格子图和其他换热网络设计工具来完成你的设计。

所设计的网络中或许包含一些你想删除掉的小换热器。

你可以使用AspenPinch的调优工具来删除任何类似的小换热器，从而降低总费用。

如何你要改造一个旧的换热网络的话，请使用AspenPinch的retrofitdesign功能，本功能采用了最小的“网络夹点”技术。

检查换热网络的性能  

最后，你应该对你所设计的换热网络进行核算。

运用AspenPinch的模拟/优化/核算功能你可以详细的计算换热器的几何细节。

你可以使用AspenPinch来选择管长、管心距以及折流板等。

如何你想检查网络的操作弹性－例如，物流入口温度的或总传热系数变化的影响－可以使用AspenPinch的flexibility功能。

理解项目与案例

每一个不同过程或工厂的研究被称为以AspenPinchproject。

而每个project可能会包含几个不同的操作工况，这些工况被称为cases。

对于一个包含者几个过程单元的工厂的研究，每个过程单元都作为一个case。

当你运用AspenPinch建立一个新项目时，你应该在磁盘上建立一个新的目录或文件夹，用来存储所有的项目和工况信息。

下图显示了一个典型的AspenPinch研究，以及项目和工况之间的关系。

如图1－2所示，所有的工况都存储在根目录CRUDE下。

子目录FEED1和FEED2代表不同的进料工况。

FEED1本身又含有两个不同的子目录SUMMER和WINTER。

FEED2只含有一个工况MAXGAS。

工况树和继承数据

在AspenPinch中，工况以子工况和父工况的形式排列。

如果AspenPinch需要的数据不存在于一个给定的工况时AspenPinch会自动在他的父工况中搜索（搜索从当前的目录到根目录结束）。

这可以时一个项目所存储的数据达到最小。

例如，在图1－2这FEED1和FEED2是父工况，而SUMMER和WINTER,以及MAXGAS是子工况。

  FEED1已经规定了物流、公用工程和DTmin数据。

子工况SUMMER有自己的物流数据，但

第二章 使用项目、工况与数据

公用工程的类型：

某些公用工程只能与一些热功模块联合使用：

如AIR,COAL,OIL,GAS,WORKST,COLDSTRAM,HOTSTRAM,ELEC等。

另外的公用工程如BFWP,ECON,FFLUE,GTFLUE,HEAST,REFRIG,SGN和SUPER则即可联合使用也可单独使用。

DTmin

既可以直接设定DTmin，也可以在设定公用工程目标后，让程序计算DTmin。

换热器表

  换热器表用来快速创建物流数据、公用工程数据、换热网络和全局公用工程（可以用来进行全局分析的公用工程信息）。

物流数据是近似的－在大部分情况下，物流的分段是在换热器附近产生的。

换热器表经常被用来快速确定过程的节能潜力。

换热器表有两种格式，以换热器为中心和以物流为中心。

两种格式可以用窗口下部的按钮来更换。

输入数据时，必须首先输入换热器的名称或物流的名称，然后在输入其他数据。

输入新数据时应使用最高的空行，不要在各行数据之间留有空行，否则会丢失数据。

如果某一物流使用的是公用工程，则UT列的复选框必须被选择。

Upstream列用来确定网络的拓扑结构。

在此输入本换热器物流所来自的换热器名称。

你可以选择不止一个上游换热器，本列相当于一个加合器。

当输入多个上游换热器时，他们的名称中间用分号隔开。

本表格有检查数据完整的功能，如果某一行有错的话，则以黄色来显示。

在出错的单元放置鼠标时，状态栏会给出错误的原因。

可以用F1键来获取帮助。

如果需要的话可以为一个换热器输入物流的分段数据。

分段数据不出现在换热器为中心的视图中。

经济与费用数据

本部分介绍如何输入经济及投资费用

换热器费用数据－换热器投资费用，是换热面积的函数。

用HeatExchangerCost对话框输入。

经济数据－年操作时间，寿命：

利率或贷款。

用EconomicData对话框输入。

壳程数目标数据

AspenPinch用units（全逆流）或壳程数来确定面积目标或费用目标。

只有规定了壳程数目标是才用壳程数来确定面积目标或费用目标。

第三章 确定新设计的目标

本章阐述了如下内容：

确定系统能量消耗目标；

为系统选择任意数目的冷热公用工程；

优化公用工程目标。

使用组合曲线

组合曲线可以用量确定系统的最佳热回收量。

组合曲线能表示系统所有物流的总的加热或冷却剖面，是确定能量目标的基本工具。

本部分将介绍如下内容;

如何查看组合曲线；

如何获取平衡组合曲线；

如何应用两种组合曲线工具；

如何获得 组合曲线。

激活确定目标功能

开始使用组合曲线之前，你首先需要激活AspenPinch的目标确定功能。

你可以从菜单栏选择Tools－Targeting，也可以直接单击工具栏的Targeting按钮。

更换Targeting的工具栏。

查看组合曲线

查看组合曲线可以单击工具条的相应按钮，也可以从菜单栏选择Targets－Compositecurves。

然后就会显示组合曲线。

平衡组合曲线

 平衡组合曲线最基本的应用是辅助设计出满足工艺过程要求的最小费用公用工程系统及其与过程流股的最优匹配方案。

如果添加了公用工程，则可以查看包括公用工程在内的平衡组合曲线。

关于如何添加公用工程的更多信息见P3－19的PlacingUtilities。

可以从菜单栏的Options－BalancedComposites来查看平衡组合曲线，也可以直接从工具栏选择ShowUtils按钮。

当你选择这个功能后，组合曲线就会重新绘制来包括你所选则的任何公用工程。

转换温度后的组合曲线

查看、添加、删除夹点

你可以在组合曲线上查看、添加、删除夹点，对于优化公用工程来说，这种功能非常重要。

如何添加夹点按钮是灰色的话，应首先显示夹点。

获取目标确定报告

报告工具

获取总组合曲线

组合曲线可以获取过程系统的总能量目标。

然而确定单个公用工程的负荷时，就应该应用总组合曲线。

添加公用工程

当你获得总组合曲线后，你可以更换常用工具条

删除、添加、优化公用工程。

公用工程的优化

优化公用工程的负荷是为了解决什么问题？

优化公用工程的步骤：

（1）selecttargets–utilityplacement–autoplace–at1degC.

（2）selecttargets–optimize–autooptimizationutilities.-选择能量体-优化。

（3）浏览自动优化结果：

selecttargets–optimize–autooptimizereport

优化DTmin又是要解决什么问题？

最小温差是换热网络综合中的一个关键因素。

其中夹点温差越小，运行能量费用越少，但夹点温差越小，会造成网络投资费用的增加。

因此当系统物流和经济环境一定时，存在一个使总费用最小的温差，称为最优夹点温差。

换热网络的综合应在此最优夹点温差下进行。

最优夹点温差的确定方法:

1.  根据经验确定，此时需考虑公用工程和设备投资的价格、换热工质、传热系数、操作弹性等因素的影响。

2.  在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，然后比较各网络的费用，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。

优点是可以得到最优夹点温差，但工作量太大。

3.  在换热网络综合以前，依据冷热负荷焓线，通过数学优化估算最优夹点温差。

A．  输入物流和费用等数据，指定一个DTmin。

B．  作出冷热负荷曲线。

C．  求出能量目标Qh和Qc、换热单元数目标Umin和面积目标A。

D．  计算总费用目标。

E．  判断是否达到最优，若是则输出结果，否则改变DTmin重新计算。

第四章 数据的导入和流股分段

本章阐述如何：

将AspenPlus或ProII的模拟结果导入AspenPinch。

将物流分段来精确的表征物流的加热或冷却曲线。

从其他软件，如SuperTarget导入数据。

简介

AspenTechnology在稳态模拟软件AspenPlus和AspenPinch之间提供了强大的接口。

此接口省时省力，而且可以避免不必要的错误。

一定AspenPlus完成模拟，就可以很容易的运行AspenPinch和导入流程结果，并自动生成物流和换热网络数据。

AspenPinch可以从AspenPlus导入如下数据：

简单的物流数据。

详细的冷却和加热曲线信息。

过程流股的热力学性质和传递物性。

换热网络信息。

获取过程流股的加热和冷却曲线是非常重要的，因为在大多数情况下，物流的比热随温度的变化非常明显。

对于这些物流，可以用物流段来描述他的加热和冷却曲线剖面。

各段的比热各不相同。

物流分段可以保证AspenPinch所用的物流数据更加接近实际情况。

对于物流的加热冷却曲线的微小变化都会对热回收系统的设计造成影响时，比如采用小温差的低温系统，物流的分段就显得非常重要了。

从AspenPlus模拟结果导入数据

本部分主要介绍：

导入模拟结果的预备工作。

如何为数据提取选择模拟。

如何设置数据提取选项。

下面主要介绍DataExtractionOption对话框中各复选框选项的含义。

ApplyDataExtractionRules（应用数据提取规则）

如果想在AspenPinch提取数据时应用in－built（内置）的数据提取规则，请选择此选项。

本选项可以降低在选取适当数据时的工作量。

如果不选此项，将会使物流数据更加接近AspenPlus的模拟结果。

更多信息请见PinchTechnologyTrainingCourseUsingAspenPinch。

IgnorePseudostreams（忽略虚拟物流）

虚拟物流可以在任何AspenPlus模拟中使用。

这些物流通常使一个模块内部的中间物流，比如精馏塔中的中间回流。

大部分情况下，虚拟物流不代表过程单元之间的物流，因此与热集成无关。

你可以重新检查这些物流以保证他们确实不代表参与换热的实际物流。

如果你不想AspenPinch读取虚拟物流的话，请选择此选项（默认选项）。

本选项对ProII无效。

ReviewExtractedStreamsBeforeSave（保存前检查所提取的物流）

如果选择此选项，在物流数据存入AspenPinch前会生成一个列表。

此列表包括了从AspenPlus所提取的所有物流。

在此表中，你可以决定哪些物流被提取。

物流提取时会自动改变原来的名称，用户可以修改这些名称。

命名规则为：

如果某一物流时一个模块的产品则添加PR后缀，如果时进料则添加FD后缀；如果某模块与热量有关，则自动添加HEAT后缀；精馏塔则应用原名，并在再沸器和冷凝器添加COND和REB。

是否保存某物流可以选择Save？

栏的Y或N。

单击OK保存并关闭窗口。

ApplyChangesMadeinPreviousDataExtraction（保持在前数据提取中的修改）

如果在进行工艺流程的调优期间，你对AspenPlus模拟做了修改，而且已经从本模拟中提取了数据，那么，如果你选了此选项的话，任何对AspenPlus的修改都会自动反映到AspenPinch中。

这样就能保证在热集成中的数据都是正确的。

SingleStep（单步进行）

此选项使你在提取任一物流时都可以检查物流信息，并作出修改。

选择此选项后会出现ExtractedPinchStream（被提取物流）对话框。

如果想提取物性等其他附加信息的话，选择Properties。

当需要进行换热网络的详细模拟时，这些数据是必须的。

可以使用Supply和Target区域来修改物流数据，如果想将数据还原，单击GetFromSimulation按钮。

当你修改数据后，如果你选择了ApplyChangesMadeinPreviousDataExtraction选项，其后的修改还使用你指定的数据，如果你单击了GetFromSimulation按钮，则会自动从模拟中提取数据。

如果要进行下一个物流的提取，单击OK，如果不想继续提取物流，单击Finsh按钮。

Heating/CoolingCurves（加热冷却曲线）

你可以从AspenPlus中或取详细的加热、冷却曲线数据。

如果想精确的模拟换热系统，这是非常重要的，对与很小的温度变化就会造成极大的能量和面积目标偏差的低温系统尤其如此。

可以使用Properties来获取密度，比热等其他物流信息，这在进行详细的模拟/优化是是必须的。

HeatExchangerNetwork（换热器网络）

如果选择了HeatExchangerNetwork框，AspenPinch会提取AspenPlus中的换热网络数据。

其中包括两流股换热器和多流股换热器的数据。

如果在模拟中使用了B-JAC模块，AspenPinch就会在NetworkDesign/Simulation中启动B-JAC程序。

这可以降低在热集成中的大量工作。

FlowSheet（流程图）

本选项将显示物流被提取的AspenPlus文件。

可以从Browse中进行修改。

SegmentingStreams（物流分段）

夹点技术要求任一物流的加热和冷却曲线都能用一段直线表示。

但有时这种简单的表示的精确度不能满足要求，因此需要用多个更短的线段来表示。

自动分段功能

你可以为所有的物流进行分段。

Tools－AutoSegmentation－EditingStreamToSegment。

在此窗口中选择要进行的物流。

本窗口列出了所有可以被分段物流。

交互分段功能

AspenPinch对于从AspenPlus导入的数据是进行自动分段的，如果你想对导入的数据重新分段，或对手动输入的数据进行分段，可以使用交互分段功能。

Tools－Segmentation－SegmentStream对话框－选择物流－单击OK-出现分段图。

图上的两条曲线分别代表原分段数据和现在的分段数据。

可以用+和-号添加和删除分段。

改变分段的精确度

缺省的状况下AspenPinch每隔3度，分为一段。

如果要改变分段的精确度：

在物流分段窗口激活的状态下tools－autosegmentaccuracy。

设置精确度。

第十章 热功模块

AspenPinch的热功模块可以使用户模拟公用工程系统。

现有的模块有：

炉，燃气轮机、蒸汽轮机和制冷系统。

使用热功模块的益处在于可以更精确的计算能耗、能量费用、公用工程规模和费用。

例如，如果过程现有不同级别的蒸汽，而且指定各级别的蒸汽用量，就可以运用蒸汽轮机模块来计算需要多少高压蒸汽，需要多少煤以及蒸汽轮机和再沸器的投资费用。

热功模块可以在用户提供流量或热负荷的情况下单独允许，也可以在目标确定和优化功能中运行。

这时，模拟模块用目标公用工程负荷来确定公用工程系统的条件。

本章介绍如何在目标确定和优化工具中，建立热功模块。

炉

炉模块以下图表示

由用户规定组成的空气经过预热后，进入炉中。

已知的燃料也进入炉中。

燃料在空气中燃烧，产生烟气，烟气从理论火焰温度TTFT冷却到TLOW或夹点温度。

在冷却过程中，烟气为过程加热。

模拟一个简单炉

所需要的数据

炉模块的数据

烟气数据

进口空气数据

过程热负荷数据

燃烧数据

公用工程数据

经济数据

保存炉模块

删除炉模块

单独模拟炉模块

在目标确定功能中允许炉模块

改变排烟温度

空气预热

定制炉报告

燃气轮机

燃气轮机由下图表示：

空气压缩后进入燃烧室与燃料燃烧。

所产生的高压燃气膨胀降压。

在膨胀过程中做功。

一部分工用来压缩空气，其余的工用来驱动其他机器或再生器。

乏气用来加热流程。

再生器使用进入燃烧室之前的压缩空气回收一部分乏气热量。

模拟一个简单燃气轮机

所需要的数据

燃气轮机模块的数据

燃料数据

进口空气数据

过程热负荷数据

压缩器数据

涡轮机数据

再生器数据

公用工程数据

经济数据

保存燃气轮机模块

删除燃气轮机模块

单独模拟燃气轮机模块

在目标确定功能中运行燃气轮机模块

定制燃气轮机报告

蒸汽轮机

蒸汽轮机如下图所示：

过热蒸汽由锅炉或其他外部热源产生。

蒸汽进入涡轮机并降压，用来提供工艺蒸汽或加热蒸汽。

可以考虑不同级别的蒸汽。

用来加热的蒸汽可以进行降温。

蒸汽在进入其他蒸汽涡轮机前可以被加热。

模拟一个简单蒸汽轮机

所需要的数据

蒸汽轮机模块的数据

费用数据

进口蒸汽数据

蒸汽级别数据

提取蒸汽数据

Desuperheating降温过热水数据

公用工程数据

经济数据

保存蒸汽轮机模块

删除蒸汽轮机模块

单独模拟蒸汽轮机模块

在目标确定功能中允许蒸汽轮机模块

定制蒸汽轮机报告

在蒸汽系统中添加燃烧炉

添加涡轮机的附加级

附加涡轮机进料和旁路

添加新蒸汽进料

添加涡轮机旁路

删除蒸汽进料

制冷系统

使用制冷模块用户可以精确的计算制冷剂流量、所需的功、设备尺寸和设备投资费用。

AspenPinch的制冷系统模块可以组成三级制冷循环。

这些循环可以连接使某个循环的热排放到其他循环中，也称为串连。

每个循环都是多级制冷。

根据用户提供的饱和温度或压力和各级的制冷负荷，AspenPinch计算制冷剂的流量。

可以在模块中考虑经济模块。

制冷模块可以和目标确定连用制冷或节能器模块负荷从目标获得。

AspenPinch有内置物性模型来精确的计算不同的制冷剂。

模拟简单的制冷系统

所需的数据

制冷循环数据

压缩机数据

制冷水平数据

经济模块数据

排热数据

制冷剂冷凝数据

公用工程数据

经济数据

保存制冷模块

删除制冷系统和循环

单独模拟制冷模块

在目标确定功能中模拟制冷模块

定制制冷系统报告

在模块中添加新的排热换热器

在模块中添加更多制冷级别

第十章 换热网络的模拟和优化

本章阐述如何用AspenPinch来模拟和优化一个换热网络。

模拟或优化可以在设计和核算两种模式下进行。

用这种模式   来

核算      在给定每个换热器几何尺寸和物流物性的情况下，求解换热网络的操作条件。

设计      进行新换热器的设计。

优化将换热网络的年操作费用（包括投资费用和能量费用）最小化。

否则AspenPinch只能优化投资费用。

在进行换热网络的优化或模拟以前，应该已经作出了换热网络的设计，这个设计应该已经存

或者已经在软件中确定。

Pinch允许用户设定换热网络设计中换热器的设计参数。

最后，在设计中，压降，换热器几何尺寸和布置非常重要。

AspenPinch的模拟和设计功能可以使你在设计中添加更多的细节。

可以使你辨识变量获取更多的见解。

同时可以更准确的预测网络费用。

Simplesimulation简单模拟：

所谓的简单是指模拟时，换热器模型由换热面积、用户提供的传热系数、温度和热负荷来描述。

过程流股由温度和热负荷来描述。

不需要详细的换热器设计信息和详细的流股物性。

Detailedsimulation详细模拟：

所谓的详细是指模拟中的换热器用的是详细模型。

详细模型包括换热器的几何特征，如管径，折流板间距等。

同时，需要详细的物流物性信息，如物流整个温度范围内的粘度和密度等。

Simpleoptimization简单优化：

涉及简单换热器模型，不需要物性信息。

Detailedoptimization详细优化：

这涉及到详细的换热器模型，需要换热器的几何特征和物流的物性信息。

一个重要的原则是从简单系统过渡到系统。

要保证在进行详细分析以前已经进行了简单分析。

模拟/优化中所需的数据文件

StreamData：

温度、压力、物性等，可以以表格或方程式的形式给出。

UtilityData：

温度、压力、物性等，可以以表格或方程式的形式给出。

NetworkData（BlockData）：

设备类型、连接、设备的设计细节。

EconomicData：

年操作时间、设备寿命。

CostData：

换热网络中，每个设备类型都要规定。

StreamInformation物流信息：

在详细模拟中，过程物流需要许多数据文件，部分原因是因为过程物流的所有物性都需要规定。

温度和负荷存储在StreamData文件中。

这些数据主要用量进行目标确定。

对于模拟和优化来说，还需要物流的ID号。

这个物流ID号用量将物流与存储在SimulationStreamDa